Das ist eine sehr unauffällige Sache. Es ist nur so groß wie eine Handfläche und liegt etwas schwer in der Hand. Seine Form ist etwas ganz Besonderes. Ein dünnes Metallrohr ist wie eine Stange, die zwei dicke Metallzylinder trägt, und auf einen der Metallzylinder folgt eine halbe Röhre, die etwas dünner als der kleine Finger ist.
Einer der -Pulsrohrkühlschränke für die Luft- und Raumfahrt
Zhao Miguang, ein Forscher am Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften (im Folgenden als Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften bezeichnet), sagte, dass die Herstellung dieses Dings etwa eine Million Yuan kosten würde jetzt. Vor dem Jahr 2000 verkauften ausländische Länder es jedoch nicht an China, egal wie viel es kostete.
It is the "cooling artifact" that has plagued China's optical remote sensing satellites for decades - the aerospace-grade pulse tube refrigerator, a high-tech product that can quickly reduce the local temperature to minus 200 degrees Celsius and will not be damaged for many years.
Its birth and development in China benefited from a "long run" by researchers from the Chinese Academy of Sciences.
In wenigen Minuten auf minus 200 Grad Celsius abkühlen
Am 25. Januar hat der Satellit ZY-1 02E, der mit drei im Inland hergestellten-Pulsröhrenkühlschränken ausgestattet war, erfolgreich qualitativ hochwertige- Bilder aufgenommen. Diese drei Pulsrohrkühler sind die 26., 27. und 28. Pulsrohrkühler in Luft- und Raumfahrtqualität, die vom Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelt und erfolgreich in Weltraumprojekten eingesetzt werden.
The new crown epidemic has made many people aware of "infrared temperature measurement" technology. When the human body passes through the thermal imaging camera, the hot spots on the body will appear red. In order to measure the temperature of the earth and the atmosphere, many meteorological satellites are also equipped with infrared detectors. However, due to the distance from the target detection object, the infrared detector on the satellite needs to maintain a low temperature or even an extremely low temperature level in order to detect the slightest heat change on the distant target.
Wie kann man also den Infrarotdetektor auf dem Satelliten in einem niedrigen Temperaturzustand halten? Wissenschaftler haben zwei Arten von Kühltechnologien erfunden, eine davon ist die passive Strahlungskühlung, die auf dem Prinzip basiert, dass Objekte mit hoher -Temperatur Energie auf Objekte mit niedriger- Temperatur abstrahlen können; Die andere ist die aktive mechanische Kühlung, das Prinzip besteht darin, Gas durch mechanische Bewegung zu erzeugen. Expansion, und das Kühlphänomen tritt auf, wenn sich das Gas ausdehnt.
"The cooling temperature of radiation cooling is high and the cooling capacity is small. Although it can be used to cool small detectors, it cannot meet the higher requirements for low temperature of aerospace devices. In contrast, mechanical cooling technology is more feasible." Chinese Academy of Sciences Physics and Chemistry Chen Houlei, a researcher at the institute, told the China Science Journal.
Die Pulsrohr-Kältetechnik ist eine Art mechanische Kältetechnik. 1963 entdeckten amerikanische Wissenschaftler zufällig, dass sich bei einer wechselnden Druckwelle in einem Hohlrohr dessen geschlossenes Ende erwärmt und entlang der axialen Richtung des Rohrs ein großer Temperaturgradient gebildet werden kann. Darauf aufbauend entwickelten sie eine Pulsrohrkühlung. Maschine. 1984 veränderten sowjetische Wissenschaftler den Pulsrohrkühlschrank, wodurch seine Kühleffizienz erheblich verbessert wurde und die damit verbundene Forschungswärme ebenfalls zunahm.
Pointing to the pulse tube refrigerator in his hand, Chen Houlei introduced: "This part similar to the little finger is called the 'cold finger'. This small refrigerator can reduce the fingertip to minus 200 in a few minutes. Celsius. We put the probe on the fingertip, and when the temperature of the probe cools down, we can see the earth clearly."
Von der Theorie zum Engineering
In the 1980s, the Cryogenic Technology Experiment Center of the Chinese Academy of Sciences (one of the units of the Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences) took the lead in starting the basic research on pulse tube refrigeration technology in China. By the 1990s, they had set the record for the lowest refrigeration temperature several times, achieved a series of original achievements, and won the "Kapicha Award" and "Linde Award" of the International Society of Refrigeration.
In 1998, the United States was the first to engineer pulse-tube refrigerators for use in space programs. Although my country has achieved world-leading results in the basic research of pulse tube refrigeration, optical remote sensing satellites have been suffering from lack of their own space refrigerators. "At that time, the research and development unit could only import from abroad, and the aerospace-grade refrigerator was embargoed to our country. The research and development unit could only try every way to buy the ground-level refrigerator." Zhao Miguang said.
The reason for saying "bitter" is that the lifespan of imported ground-level refrigerators is less than 1/10 of that of aerospace-grade refrigerators, and problems often occur, and after satellites are launched, they cannot be repaired at any time like they are on the ground. Once on-orbit failure, the country may pay a huge price.
In den späten 1990er Jahren begann das Forschungsteam des Instituts für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften mit Unterstützung des National Science Fund for Distinguished Young Scholars, der Chinesischen Akademie der Wissenschaften und anderer relevanter Abteilungen, sich in angewandte Forschung zu verwandeln als Ganzes. Angesichts des großen Bedarfs auf dem Gebiet der nationalen Weltraumfernerkundung und Infrarotdetektion traten sie aus dem Stapel alter Papiere heraus und forschten über die Konstruktion von Pulsrohrkühlschränken und Weltraumanwendungen. Ab 2000 erhielt das Team systematische Unterstützung von der National Space Agency.
The road from theory to engineering is full of challenges. "What we want to do is aerospace-grade products. If the refrigerator will work in the sky in the future, it must be guaranteed that it will not break for 8 years, 10 years or even longer." Chen Houlei said.
Die Kühlschränke sind mit Heliumgas gefüllt und müssen durch zuverlässige Schweiß- und Dichtungstechnik eine sehr geringe Leckagerate von Heliummolekülen gewährleisten. Die Kompression und Expansion des Gases hängt vom Kolben ab. Sie müssen den Kolben und die Zylinderwand eng und -berührungsfrei machen, um sicherzustellen, dass der Kolben nicht verschleißt, wenn kein Öl verwendet werden kann. Die Bewegung des Kolbens wird von einer flachen Feder unterstützt, und sie müssen Wege finden, um sicherzustellen, dass die Feder nicht krumm oder gar gebrochen ist.
Every "must" means a pressure. "At that time, we encountered some problems, and we couldn't move forward for a long time, and everyone's morale was very low." Zhao Miguang said.
Summarize the progress at 8:00 in the morning, and leave work at 12:00 in the evening. In this way, 8 years have passed. In the past 8 years, Riyuexingchen has witnessed their road to tackling key problems: the pulse tube refrigerator they developed achieved full welding of titanium alloys; the distance between the piston and the cylinder reached the micron level; the leaf spring can move 100 in the anti-fatigue test. More than 100 million times, there is even a spring's anti-fatigue test "running" for more than 10 years, and there is no problem so far.
28 Pulsrohrkühlschränke wurden in Betrieb genommen
In 2008, under the leadership of researcher Liang Jingtao, the current director of the Key Laboratory of Space Work-Heat Conversion Technology, Institute of Physics and Chemistry, Chinese Academy of Sciences, the scientific research team developed my country's first long-life pulse tube refrigerator in space, and successfully carried out on-orbit verification. The refrigerator has achieved a historic leap from scratch, from tracking to entering the latest international development stage, and my country has thus become the second country after the United States to master the space pulse tube refrigeration technology.
Since then, the "stumbling block" in the development of optical satellites in the infrared spectrum has been kicked away, and the planning and demonstration of a series of satellite models in the country has been in full swing.
Technological innovation creates demand, which in turn drives technological development. In the following ten years, the development of my country's spaceborne infrared detectors has continuously put forward higher requirements for spaceborne pulse tube refrigerators.
Am 9. Mai 2018 wurde der Satellit Gaofen-5 erfolgreich gestartet. Es war mit einem vom Institut für Physik und Chemie der Chinesischen Akademie der Wissenschaften entwickelten Pulsrohrkühler mit großer Kühlkapazität und langer Lebensdauer ausgestattet.
This satellite carries my country's first full-spectrum spectral imager covering the visible, near-infrared, short-wave, medium-wave, and long-wave infrared spectrum bands. Compared with previous optical detectors, it is larger and heavier. In order to adapt to the demand, the chiller project team boldly adopted a new solution. The chiller could only carry the cold finger of the cold platform with a size of more than ten millimeters and a weight of a few grams, and designed it into a detector assembly with a size of one hundred millimeters and a weight of one kilogram. .
In den ersten Jahren war der Weg zur Umsetzung des Entwurfs holprig. Je mehr Misserfolge man jedoch erlebt, desto unvergesslicher wird die Freude am Erfolg.
"This is a new international initiative!" Chen Houlei's eyes lit up when he said this.
At 11:11 on December 26, 2021, the "Ziyuan No. 1 02E" satellite was successfully launched at the Taiyuan Satellite Launch Center. The long-wave infrared detector carried on it must work in a low temperature environment of minus 193 degrees Celsius. The spectral imager on Gaofen-5 is larger and requires twice the cooling area of the pulse-tube refrigerator.
During the development process, researchers encountered unprecedented difficulties. "The design life of the 'Zuanyu No. 1 02E' satellite is 10 years, which is higher than the previous 8-year life requirement. In order to meet the project requirements, we proposed a plan to use the switching device to backup the compressor. In the case of increasing the limited weight, the large It greatly improves the life of the refrigerator." Liu Yanjie, the chief designer of this pulse tube refrigerator and an associate researcher at the Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences, told the China Science Journal.
"During the design of the cold finger, the large-area cold plate we used had a deformation problem due to thermal expansion and contraction, and the detector on it was easily broken." The cold finger designer of this pulse tube refrigerator, Quan Jia, an associate researcher at the Institute of Physics and Chemistry of the Chinese Academy of Sciences, recalled that after countless discussions and debugging, they made a new material match for the cold plate and finally solved the problem.
Heute haben sie Pulsrohr-Kühlschränke für die Luft- und Raumfahrt - in verschiedenen Formen und Leistungen entwickelt, von denen 28 in die Umlaufbahn gebracht wurden.
Jedes Projekt ist voller Herausforderungen, und diese Herausforderungen sind die treibende Kraft hinter dem Entwicklungsteam von Pulsrohrkühlschränken.
"We are developing more advanced space low-temperature refrigeration technology with a cooling capacity of more than 100 watts, a temperature close to absolute zero, and a weight as low as a few hundred grams." Liang Jingtao said that the team will build on the successful development of the space pulse tube refrigerator. Continue to carry forward the spirit of "daring to challenge and fight hard", bravely assume "national responsibility", and forge ahead to meet the needs of low-temperature refrigeration in future spaces.
On the development road of aerospace-grade cryogenic refrigerator technology, this "long run" continues.
